深部开采的国内外现状

深部开采的国内外现状
1 基本概念
金属矿床深部开采的定义,各国不尽相同,我国采矿手册规定,开采深度600～900m 为深部开采,深度大于2000m 为超深开采;而美国则认为,所谓深部开采通常解释为5000 英尺以上, 即相当于1524m; 南非深部金矿开采, 是指平均作业深度1600m。

2 国内深部开采现状及技术
2.1 国内深部开采现状
我国除1969 年闭矿的石嘴子铜矿外,近年已有一批金属矿山进入深部开采,即垂直开采深度超过600m 以上。

例如红透山铜矿目前开采已进入900～1100m 深度;冬瓜山铜矿矿体埋深达1000m ,现建成2 条超1000m 竖井正进行深部开采;弓长岭铁矿设计开拓深度- 750m ,距地表达1000m;夹皮沟金矿已有2 个坑口工作深度超过600m ,其中二道沟坑口工业矿体延深至1050m ,湘西金矿开拓38 个中段,垂深超过850m。

此外,还有寿王坟铜矿、凡口铅锌矿、金川镍矿、乳山金矿等许多矿山,已经或将进行深部开采。

2.2 国内深部开采技术
石嘴子铜矿是国内深部开采矿山之一,共22 个阶段,最深达950m。

曾使用各种不同结构的浅孔留矿法,回采厚度1～35m ,平均613m ,平均倾角82°的矽卡岩型铜矿床,后期由于地压大,上下盘岩石收敛,顶板管理复杂,以大量矿石损失与贫化而结束回采作业。

可以说是一座不成功的深部开采矿山。

红透山铜矿使用胶结与尾砂充填采矿法,垂直矿体走向连续分Ⅰ、Ⅱ两期矿房回采,第一步采Ⅰ期矿房浅孔留矿法,嗣后尾砂、废石、水泥胶结充填;第一步采Ⅱ期矿房小分段中深孔留矿法,嗣后尾砂充填。

二步矿房用分段回采嗣后尾砂充填，效果较好。

夹皮沟与湘西金矿用干式充填或削壁充填法。

3 国外深部开采现状及技术
3.1 国外深部开采现状
据不完全统计,国外开采超千米深的矿山有80 多座,其中最多为南非。

南非绝大多数含金、铀变质砾岩矿床,埋藏深度大都在1000m 以下。

其中,西部深水平金矿, 采矿深度达3582m; WestDriefovten 金矿,矿体赋存于地下600m ,并一直延伸至4000m;Witwatesrand 金矿开采深度已达4000m ,矿体延伸6000m 以下。

印度德干高原南端班加罗尔市附近的科拉尔金矿区,已有钱皮恩里夫、农迪德鲁格、迈索尔三座金矿采深超2400m ,其中钱皮恩里夫
金矿共开拓112 个阶段,总深3260m。

俄罗斯的克里沃罗格铁矿区,已有捷尔任斯基、基洛夫、共产国际等8 座矿山回采深度超750m; 采准深度达910 ;开拓深度到1570m;将来要达到2000～2500m。

3.2 国外深部开采技术
俄罗斯克里沃罗格铁矿区克里卜克内西矿,采用下盘巷道放矿的垂直分条分段崩落法;美国加利纳银铅矿采用充填法;南非西部深水平金矿采用长壁法,但每隔2400m 需留下44m 宽连续矿柱,采场用高浓度尾砂充填;印度科拉尔金矿采用下向分层胶结充填法。

从矿岩开采条件并结合深部开采情况看,国外绝大多数矿山均使用充填法。

现简要介绍南非West Driefoven 金矿采矿法。

该矿开采三层矿脉,中间为主矿脉。

顶板是火山沉积岩;底板为白云岩,含水量大。

矿体埋藏于地下600m ,并以倾角27°延伸至4000m。

三段竖井开拓: 第一段1800m; 第二段1200m;第三段1000m。

生产规模31 万t/ 月,其中矿石24 万t/ 月。

每月开采面积5 万m2 , 掘进2000m ,产金21688t 。

使用南非典型的壁式充填法,采场长30m ,阶梯状回采,分层高1.2m ,矿脉厚6m ,自上而下分层回采。

巷道式采矿,间隔回采,胶结充填后再采相邻巷道。

采场顶板用4.6m 长锚索支护,间距2m ×2m。

尾砂胶结充填,浓度达70%～80% ,不需脱水,接顶时用高压充填。

南非金矿深部开采的机械化采矿方法因矿体赋存条件不同而多种多样:连续巷道式充填法、间隔巷道式充填法、梯段式充填法、上向分层充填法等。

采矿方法存在的主要问题:因矿体薄、倾角缓及矿岩硬与磨蚀性难以大量使用机械化开采;由于作业深度大与气温高,要求采场每月平均推进速度达20m 以上,才能减少工作面长度及热流量;电动机械比柴油机械更适合矿山减少通风与降温费用的要求;机械化开采采矿贫化率大增等。

加拿大的安西尔铜矿、基德克里克铜铅锌矿,澳大利亚的芒特———艾萨铜矿,在采深1076～ 1460m 条件下,应用分段充填法,取代了上向分层充填法。

其特点是方法灵活,当矿体条件受到限制时,可恢复使用分层充填法,同时,该法提高了生产效率和设备利用率,改善了作业安全条件,降低了采矿成本。

乌克兰的扎波罗热铁矿和俄罗斯的加伊铜矿,采用分段和分段回采的二步开采法。

前者的突出特点是矿房几何形状呈棱形,上下棱面与水平成60°夹角,一步矿房采后胶结充填,充填体强度为4～ 6 MPa ,满足二步矿房回采能自立与地表不塌陷的要求。

后者在组合阶段(3～ 5 个阶段)内,采用上行开采顺序,此时有利于井下掘进的废石充填采空区。

4 开采原则
应尽可能遵循下列开采原则:
(1) 开采顺序。

一般矿床开采顺序是自上而下,从浅部向深部发展。

从矿脉排列顺序看,也是由上盘向下盘逐渐推进。

单就一个中段而言,其开采顺序大多数是自下而上。

而印度科拉尔金矿区开采急倾斜连续薄矿体,在中段采用上行采矿法时,因地应力大量积聚而频繁发生岩爆,不得不采用下向分层胶结充填法。

沿走向的开采顺序有由中央向两翼、由两翼向中央及多翼回采几种方式。

根据深部开采特点,从两翼向中央开采方式不可取,因为前方形成应力集中而使三角区无法回采,因此,一般采用从中央向两翼或由一翼向另一翼连续推进的回采方式。

(2) 连续回采。

南非深部矿体,一般采用连续回采方法,但延长超过数公里时,需每隔一定距离留下40～50m 宽的连续矿柱,并及时采后充填,以防止因地压增大导致采场闭合。

(3) 强化开采。

深部回采非常强调强化开采,或采用连续作业方式,或提高作业面推进速度。

俄罗斯克里沃罗格铁矿区自20世纪60年代至80年代中期,各矿开采深度增加400～665m ,开采面积减少2818% ,但作业集中程度提高10% ,回采作业面积的生产能力和1m2的采矿强度翻了一番,单位面积采矿量增加13 %。

这不但使各种技术指标保持稳定,也大大提高开采作业效率。

5 深部开采特点
随着开采深度的不断增加, 地质条件恶化,破碎岩体增多,地应力增大,涌水量加大,地温升高,带来了深部地压、提升能力、作业环境恶化、通风降温和生产成本急剧增加等一系列问题,抑制了生产能力提高和矿产资源的充分回收。

5.1 深部巷道变形与支护
随着开采深度的增加,地应力随之增大。

因此,深部巷道与采场的维护原理与浅部有十分明显的区别,这种区别的根源在于岩石所处的应力环境的区别以及由此导致的岩体力学性质的区别。

在浅部十分普通的硬岩,在深部可能表现出软岩的特征, 从而引起巷道和围岩的大变形；浅部的原岩大多处于弹性状态,而深部的原岩处于“潜塑性”状态,由各向不等压的原岩应力场引起的压、剪应力超过岩石强度,造成岩石的潜在破坏状态。

深部高应力环境下的巷道支护,除了必须考虑岩石强度性质和岩体结构外,还应重视巷道所处的应力环境。

浅部中、低应力条件下的巷道支护主要考虑业己存在的地质构造等不连续面的影响,而深部高应力岩体中巷道支护必须考虑巷道围岩因掘进造成的断裂破坏带,即新生断裂结构的影响。

所以,深部高应力环境下的巷道支护应强调峰后破坏岩体残余强度的利用。

应合理控制岩体的峰后变形,并尽量使巷道围岩处于三向应力状态,为此,需采用先柔后刚的能保持和提高岩体强度的加固措施；深部巷道支护设计应更多地建立在能量分析的基
础上,而不是简单地以应力和强度作为设计准则。

5.2 深部地压显现与开采动力灾害
随着开采深度增加,构造残余地应力增大,最大主应力达150～200MPa 。

从根本上讲,地应力是所有地下工程,包括地下采场、巷道地压显现的根本来源。

在没有开采工程扰动的情况下, 岩体处于原始平衡状态。

地下巷道或采场的开挖, 打破地层原始平衡状态,导致地应力的释放,从而引起岩体的变形和向自由面的位移,引起围岩应力的重新分布。

围岩的过量位移和应力集中将导致围岩局部的或整体的失稳和破坏。

这就是地压发生的过程和机理。

它与岩体的受力状态、岩体结构和质量、岩体物理力学性质、工程地质条件以及时间等因素有关。

深部地压主要有两种表现形式,即：变形地压和冲击地压。

变形地压是因开挖产生的围岩位移所引起的压力,这是地压的最基本形式。

在岩体条件较好的情况下,围岩的位移和变形发展到一定程度就停止了,可能不需要支护,围岩自身就能维持稳定。

深部高应力条件下,围岩具有产生大变形的内外部条件,围岩的过量变形将产生微观或宏观破裂、岩层移动、巷道底鼓、片帮、冒顶、断面收缩、支架破坏、采场跨落等等。

围岩必须通过支护才能防止过量的变形而引起的破坏。

此时,变形地压的显现特征与支护方法和支护结构密切相关。

在围岩与支护结合在一体的条件下,围岩与支护构成共同承载体,它们相互依存、相互制约、共同变形。

只有及时采取支护措施,并且支护方法得当, 才能有效改善围岩应力分布状态,抑制围岩变形,阻止围岩的失稳和破坏。

冲击地压是一种岩石动力学现象,它是围岩内聚集的大量弹性变形能在一定诱因下突然释放而表现出的一种形式。

在金属矿山,冲击地压叫岩爆。

产生冲击地压和岩爆主要与两方面因素有关。

一是岩石的岩体的结构性质,具有在围岩内贮存高应变能的内在条件。

一般来讲,坚硬完整岩体容易贮存高应变能。

二是有产生高应变能的外部环境,如地应力大、围岩应力集中的地方。

随着开采深度的增大,地应力不断增大,因而深部容易出现岩爆和冲击地压。

南非因岩层冒落和岩爆造成的死亡率占总死亡率57 % ,伤残率占总伤残率27 %。

随着越来越多的矿山进入深部开采,加强对岩爆的研究己刻不容缓,研究重点在以下三个方面：①从地应力、岩体结构、矿岩物理力学性质、采矿方法、开采过程、开采顺序、围岩能量聚集和释放规律等方面综合分析和研究岩爆机理；②建立有效可靠的监测系统和手段,对岩爆发生的可能性、发生的地点和大小进行预测预报；③从防止和解除围岩高能量聚集,避免引起高能量迅速释放的外部条件出现两方面采取防治岩爆的有效措施。

地震现象存在,应采取预防性措施。

5.3 地温升高引起作业环境恶化
地下岩层温度随着深度的增加而增加。

据统计,常温带以下,岩层温度以3℃/loom 的梯度增加。

千米以上的深井,岩层温度将超过人体温度。

如南非西部矿井,在深部3000 米处,岩层温度高达80℃；我国铜陵冬瓜山铜矿在深度1000米处,最高温度达40℃; 印度科拉尔金矿区1200m 深,达49.8 ℃;1800m 深,达54.3 ℃;2000m 深,达61.2 ℃;3000m 深,达69 ℃。

深井开采工作面气温的升高导致工作条件的严重恶化。

在持续的高温条件下,人员的健康和工作能力将会受到很大的损伤,这影响到采掘工作的正常进行,使劳动生产率大大下降。

据统计资料,超过适合人体温度后, 温度每增加1℃, 工人的劳动生产率将降低7%~10%。

采取经济和有效的措施,解决深井的通风和降温问题,使深井开采工作面保持人员和设备所能承受的温度和湿度,并使综合开采成本限定在可以接受的范围内,对保证深部地下开采的正常发展具有重要意义。

6 采场支护技术
6.1 临时支护
6.1.1 支护材料要求
①工作面支护件必须是刚性的,但又不完全是刚性的; ②支护材料应具备加预应力的简便性和可预测的让压性; ③容易安装,并不易受爆破破坏; ④在地震活动区,基本要求能经受动载荷; ⑤运输方便,防火防潮。

6.1.2 临时支护材料
南非深部开采1965 年前,采场临时支护都是木制件,其形式是空心木垛、“框式”支护和实心木垛。

也曾使用过混凝土块和木块交替放置的垛式支架,或空心木垛内充填水泥浆,并曾先后应用过管柱式支柱、柱型支柱、伏兰脱式支柱。

1965 年后,南非矿山局研究实验室研制成快速让压液压支柱,并于70年代初进行井下试验,成功后大面积推广应用。

这种支柱主要适用于地震与岩爆环境,但愈来愈多地应用于各种适合的开采条件。

采场临时支护系统设计时需考虑三个因素:能量释放速度、回采宽度与地质环境。

6.2 永久支护
南非金矿早于20 世纪30 年代开展充填实践,到60 年代末才形成工业规模应用,到90 年代中期,充填约占采场总支护量30% ,木支护与延伸式支护约各占25% ,即总支护面积占总开采面积的80%是合理的。

6.2.1 胶结充填
永久支护一般采用胶结充填,或废石胶结充填,或尾砂胶结充填。

充填体既作为区域性支护而减少岩爆发生,也可作为局部支护在岩爆时保护工人和设备。

它还具有下列作用: ①充
填能补偿木材供应不足和避免火灾; ②减少木材支护的劳动量; ③改善通风条件和减少井下热量; ④提高回采率,减少贫化; ⑤充填通过废石留在井下而提高提升能力; ⑥充填应改善局部地段上盘岩层支护。

水力输送充填料的相对密度一般为 1.65 ～1.85 ,不需脱水。

一般充填体杨氏模量200 ～300MPa ,比矿柱70GPa 低许多。

南非也曾用杨氏模量5 ～ 10GPa 的混凝土柱作充填体, 它可减少30%的能量释放率。

充填工艺最严重的问题是砂浆从1000m 以上高的管道自由降落所引起的管道磨损问题。

解决办法有二:一是增加系统的摩擦损失;二是采用能量耗散装置耗散自由降落带充填料的能量。

6.2.2 水力充填
尽管南非许多深部开采矿山采用胶结充填,但也有使用水力充填而非胶结充填。

在壁式采矿法中,工作面用快速让压液压支柱作临时支护,但适当地段撤去支柱时即用分级尾砂充填。

充填时用纺织土工布、无纺土工布或针织土工布袋围着充填空区,然后充填直至接顶。

这里存在主要问题,一是使充填体的水尽快泄出去,因为爆破作业可能在充填后8h 进行;另一个问题是因颗粒流失、不稳定性和收缩,特别是充填体收缩问题更严重。

因为充填的作用是阻止空区闭合,其实际闭合速度达5mm/d。

可是水力充填在凝固时,因自身重力作用及水泄出,体积收缩导致充填体与顶板间留下一定量空隙。

经研究后,南非水力充填优化参数为:输送充填料相对密度1.70～1.75 ,不加絮凝剂;小于10μm 的颗粒少于5 %;土工布类型为针织型O95 = 350μm ,编织型O95 = 450μm;充填方式倾角大于15°为袋式,小于15°为格式。

7 深部开采应研究的问题
深部矿床开采地压理论及控制的研究是采矿科技现代化的重要课题,是在深井开采时中使用大型采矿设备, 实现强化开采的重要前提。

围绕上述的问题, 应开展以下几方面的研究：
（1）原岩应力测量。

确定构造应力场, 为巷道及采场布置提供依据。

（2）岩体应变性质研究。

调查研究岩体构造分布规律, 确定岩体构造模型；测定岩体各种力学参数, 包括岩体弹性参数、流变学参数、强度参数、断裂韧度、裂纹亚临界扩展速度、节理面强度参数等等。

（3）建立数值分析模型。

模拟巷道开挖过程中和开挖之后, 在静态和动态载荷用下巷道周围的应力分布、断裂的形成和发展, 应用非线性程序研究不同岩体及地质构造的影响, 各种支护作用的影响。

（4）合理选择巷道位置、开采顺序及巷道断面形状。

（5）在高应力区及易发生岩爆地段, 进行卸压技术的研究, 转移和释放围岩中的应力。

（6）支护系统的研究。

除常规各种类型的锚杆、锚索、金属网、钢丝绳网、喷浆外, 对变形剧烈区段, 还应试验研究新的支护形式。

（7）巷道岩爆机理研究和微震测试系统的研究。

加强监测预报, 建立微震监测数据库。